對(duì)計(jì)算應(yīng)用的典型同步降壓調(diào)節(jié)器負(fù)載設(shè)計(jì)規(guī)范

. 總結(jié)針對(duì)計(jì)算應(yīng)用的典型同步降壓調(diào)節(jié)器負(fù)載設(shè)計(jì)規(guī)范；Tjcn、負(fù)載電流、DC和瞬態(tài)調(diào)節(jié)

. 簡(jiǎn)單概述帶來(lái)典型的每相20 - 30 A電流的因素；工作頻率、瞬態(tài)響應(yīng)和效率

. 解釋三要素概念=>額定輸出電流由三個(gè)因素確定：輸出功率/電流、效率，以及Tjcn-amb熱阻抗

. 總結(jié)功率級(jí)(Power Stage)器件設(shè)計(jì)特性，優(yōu)化效率和熱阻抗

. 展示在效率、功率損耗和溫升等方面的測(cè)量數(shù)據(jù)

. 解釋采用如何測(cè)量安裝在電源板上的零部件的熱阻抗

. 探討受輸出電壓影響的效率和熱阻抗，及所產(chǎn)生的HS/LS占空比(duty cycle)

. 結(jié)論

II.典型的同步降壓計(jì)算負(fù)載規(guī)范

針對(duì)典型的同步降壓調(diào)節(jié)器計(jì)算負(fù)載需求，對(duì)功率級(jí)系列部件進(jìn)行優(yōu)化。這些應(yīng)用將具有大范圍的電流水平且可以是單相或者多相。通過(guò)在每相基準(zhǔn)上比較電源系統(tǒng)(power train)規(guī)范，我們注意到，許多設(shè)計(jì)顯示了共同的工作范圍。典型的每相電源系統(tǒng)規(guī)范為：

. 電源系統(tǒng)占空比為5 % - 40 %

. 工作頻率：300 kHz到600 kHz

. 負(fù)載功率：25 W

. 負(fù)載電流：25 A

針對(duì)此設(shè)計(jì)范圍，已對(duì)部件的功率級(jí)設(shè)定進(jìn)行了優(yōu)化。選擇了最通用的設(shè)計(jì)作為目標(biāo)工作點(diǎn)- 12 Vin, 1 V / 25 A 輸出。

III.決定負(fù)載規(guī)范的因素

上述的參考設(shè)計(jì)規(guī)范—占空比、頻率、功率和電流—是通過(guò)平衡相當(dāng)廣泛的電氣和散熱限制來(lái)設(shè)定的。對(duì)于典型的多相CPU電源，這些限制包括：

. 靜態(tài)負(fù)載運(yùn)行期間的輸出峰峰值電壓紋波

. 負(fù)載瞬變期間的輸出電壓偏移

. 系統(tǒng)溫升極限

. 硅Tjcn設(shè)計(jì)極限

. 輸入電流紋波

將會(huì)討論每個(gè)設(shè)計(jì)因素的影響，以及折衷方案如何推動(dòng)電源系統(tǒng)規(guī)范達(dá)到每相電流極限和工作頻率。

滿足這些系統(tǒng)性能目標(biāo)需要平衡相互沖突的要求。對(duì)于穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)負(fù)載，設(shè)計(jì)必須具有低輸出電壓紋波。每相DC電流、峰峰值紋波電流和工作頻率都會(huì)影響輸出調(diào)節(jié)。通過(guò)增加電源系統(tǒng)電感，可以減少靜態(tài)輸入和輸出紋波，但較大的電感將會(huì)降低供電瞬態(tài)性能。較高的工作頻率將減少紋波并改進(jìn)瞬態(tài)性能，但較高的工作頻率將會(huì)引起效率降低，因?yàn)樵黾恿碎_(kāi)關(guān)損耗，由此增加了器件的溫升。

用于解決此局限的設(shè)計(jì)方法就是將總負(fù)載電流分成幾個(gè)并聯(lián)的電源系統(tǒng)，且允許每個(gè)都有相對(duì)高的紋波電流值。圖1和圖2顯示了單相設(shè)計(jì)與多相設(shè)計(jì)的紋波電流比較。

圖1. 單相紋波電流

圖2. 多相紋波電流

多相設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)為幾個(gè)低頻單相電源系統(tǒng)的電流交錯(cuò)。這帶來(lái)了較低的峰峰值紋波和較高的紋波頻率。對(duì)于給定的紋波電壓，還允許減少輸出電容數(shù)。對(duì)于每一個(gè)電源系統(tǒng)，可以使用小電感來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的瞬態(tài)響應(yīng)。但這將導(dǎo)致紋波的增加。通過(guò)相電流的交錯(cuò)，將減少產(chǎn)生的輸出電流紋波，同時(shí)仍然允許良好的瞬態(tài)響應(yīng)。另外，大多數(shù)控制器具有瞬態(tài)運(yùn)行模式，允許對(duì)準(zhǔn)各個(gè)相位，用于優(yōu)化轉(zhuǎn)換速率。

對(duì)于給定的電感/電容元件的設(shè)置，較高的工作頻率將導(dǎo)致紋波減少并改進(jìn)瞬態(tài)響應(yīng)；或者設(shè)計(jì)人員可以選擇保持紋波恒定，并減少電感和輸出電容元件的尺寸。

注意，通過(guò)增加電源頻率或減少輸出電感，無(wú)法單獨(dú)滿足CPU負(fù)載的初始急速瞬態(tài)階段要求。需要低阻抗陶瓷電容的網(wǎng)格運(yùn)作來(lái)滿足初始瞬態(tài)。但在減少剩余的輸出電容方面，更快的電源瞬態(tài)響應(yīng)是有效的。

典型的每相25A、300kHz – 600kHz電源系統(tǒng)規(guī)格，是基于這些限制條件的最佳平衡。因此針對(duì)這一電流和頻率范圍所設(shè)計(jì)的器件將涵蓋范圍廣泛的應(yīng)用。

IV.三要素

當(dāng)新的部件發(fā)布時(shí)，我們常常會(huì)詢問(wèn)它的額定電流。飛兆半導(dǎo)體的數(shù)據(jù)表使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法來(lái)規(guī)定額定電流，基于元件放置在極大的散熱器上，并測(cè)量每個(gè)芯片發(fā)熱達(dá)到其額定Tjcn額定值時(shí)所需要的電流。這使得可替換元件之間容易比較，但在實(shí)際電源應(yīng)用中對(duì)部件的有效電流能力的理解有些局限。

就像一只三條腿的凳子，部件的有效額定電流將基于三個(gè)不同因素的平衡：

. 輸出功率

. 效率

. Jcn-Ambient 熱阻抗

如圖3所示，對(duì)于在期望的額定電流上運(yùn)行的部件，它必須滿足這三個(gè)限制因素的平衡；功率(Vout x Iout)、效率和熱阻抗。圖3中，25 A的灰色平面與曲面相交部分顯示了在Vout = 1 V時(shí)，實(shí)現(xiàn)25 A所需的效率和阻抗組合。例如，假如設(shè)計(jì)的效率為90%，那么它必須具有低于14 C / W的熱阻抗，以便保持溫升低于40 C。

圖3. 額定電流與效率和熱阻抗的比較

由于在過(guò)去的五年里器件性能得到了改進(jìn)， 25 A輸出設(shè)計(jì)已經(jīng)從一個(gè)三或四個(gè)FET D-PAK設(shè)計(jì)演變?yōu)橐粋€(gè)雙FET結(jié)構(gòu)，并且現(xiàn)在已經(jīng)演變?yōu)閱我坏? mm x 6 mm功率級(jí)雙芯片。圖4顯示了在電源系統(tǒng)尺寸方面的顯著減少，這些已在這段時(shí)間內(nèi)發(fā)生。

圖4. 對(duì)于25 A設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)演變

可以使用A/mm^2來(lái)表述此尺寸方面的改進(jìn)，這里mm^2尺寸是安裝部件所需的線路板面積尺寸。這包括封裝外形加上焊接位占位面積。圖5顯示了在密度方面的演變，它們是從一系列飛兆評(píng)測(cè)板上觀測(cè)到的，而這些評(píng)測(cè)板在過(guò)去五年里一直進(jìn)行測(cè)試。

圖5. 電源系統(tǒng)電流密度